چاپ

سرزمين ايرانيان- باتري‌هاي ليتيومي يک خانواده از باتري‌هاي قابل شارژ هستند که تقريباً انرژي قابل‌دسترسي بالغ‌بر دو برابر باتري‌هاي نسل قبل در اختيار قرار مي‌دهند. اين در حالي است که آن‌ها 3 تا 5 برابر سبک‌تر هستند و طول عمرشان نيز به ميزان 300 تا 500 چرخه شارژ/تخليه است.

هم‌اکنون اين باتري‌ها در بسياري از تجهيزات الکترونيکي قابل‌حمل از قبيل تلفن همراه، لپ‌تاپ‌ها و سيستم‌هاي مخابراتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

سيد محمد جعفري، مجري طرح با بيان اينکه يکي از اصلي‌ترين معايب الکترود باتري‌هاي ليتيومي، اثر افت کارايي است، گفت:‌ کربن‌هاي گرافيتي مورد استفاده در باتري‌هاي امروزي پس از مدتي پوسته‌ پوسته مي‌شوند و سپس باتري به‌کلي از کار مي‌افتد. در اين طرح سعي شده با بازطراحي آند و ايجاد تغييرات نانويي در ساختار آن‌ها، علاوه بر افزايش عمر و گستره دمايي کارکرد باتري، عملکرد آن نيز ارتقا بخشيده شود.

وي افزود: اصلاحات صورت گرفته بر روي الکترود آند باتري موجب خواهد شد که علاوه بر افزايش عمر باتري، سرعت شارژ آن نيز افزايش يابد. از سوي ديگر، يکي از معايب بزرگ باتري‌هاي ليتيومي، هزينه‌ي بالاي ساخت آن‌هاست که بخش اعظمي از آن مربوط به هزينه‌ي ساخت الکترود است. در اين پژوهش، از مواد و روش‌هايي استفاده شده است که هزينه‌ي ساخت آند را به‌صورت چشمگيري کاهش مي‌دهند.

جعفري خاطر نشان کرد: مواد سنتز شده در اين طرح داراي شکل هندسي کروي بوده و از دسته مواد نانومتخلخل هستند که علاوه بر استفاده در باتري‌هاي ليتيومي، پتانسيل بالايي در کاربردهاي ديگري نظير کاتاليستها، حسگرها و غشاها دارند.

وي ادامه داد: مواد نانومتخلخل داراي حفراتي در ابعاد نانو هستند و حجم زيادي از ساختار آن‌ها را فضاي خالي تشکيل مي‌دهد. تخلخل بيشتر موجب افزايش سطح در دسترس براي نفوذ، درج و دفع ليتيوم مي‌شود. هر چه ابعاد اين حفرات بيشتر باشد، به دليل تسهيل در انتقال يون ليتيوم، سرعت شارژ مناسب‌تر خواهد بود.

جعفري با بيان اينکه از سوي ديگر حضور ماکروحفرات موجب مي‌شود تا سطح مؤثر کاهش يافته و ظرفيت نيز متعاقب آن افت کند، خاطر نشان کرد: پس بايد يک شرايط بينابين ايجاد شود تا هم سرعت شارژ و هم ظرفيت باتري در حد مطلوب باشد.

وي افزود: بنابراين الکترود آند داراي مزوحفره (بين 2 تا 50 نانومتر) جهت برقراري شرايط بهينه سنتز شده است. بدين منظور از يک روش ابتکاري براي سنتز ميکروذرات سوراخ‌دار استفاده شده است. در اين راستا از يک حلال به‌عنوان عامل ايجاد تخلخل استفاده شده که اين روش نسبت به روش‌هاي ديگر توليد مواد متخلخل نظير روش قالب‌گيري، هم ساده‌تر و هم بسيار ارزان‌تر است. همچنين اين نوآوري، امکان کنترل حفرات در مقياس نانو را (فقط با تغيير مقدار حلال) فراهم مي‌کند.

وي عنوان کرد: در طرح حاضر، ميکروذرات کروي نانومتخلخل از جنس کربن سخت با بهره‌گيري از ترکيبي از روش ميکروامولسيون و پليمريزاسيون سنتز شده است. بدين منظور از رزين فنوليک به‌عنوان پيش ماده و از اتانول و اتيلن گليکول به ترتيب به‌عنوان حلال و قالب نرم استفاده شده و پس از آن فرايند کربنيزه کردن انجام شده است.

به گفته اين محقق، استفاده از مقادير متفاوت اتيلن گليکول، منجر به توليد نانوذرات داراي نانوتخلخل و ساختار کريستالي متفاوت، حجم حفره‌ي متفاوت، سطح مؤثر متفاوت و مهم‌تر از همه ظرفيت متفاوت براي ذخيره‌ي يون ليتيوم شده است. نمونه‌هاي سنتز شده با استفاده از انواع آزمون‌هاي الکتروشيميايي و فيزيکي مورد ارزيابي قرار گرفته و شرايط بهينه‌ي ساختاري تعيين شده‌است.

وي افزود: از اين طرح يک اختراع با عنوان «کربن سخت مزومتخلخل ميکرودانه به‌عنوان ماده‌ي فعال آندي باتري يون ليتيوم» به شماره 89477 ثبت شده است. اين اختراع، عنوان اختراع برگزيده را در جشنواره‌ي اختراعات بنياد ملي نخبگان در سال 1395 از آن خود کرده است.

اين تحقيقات حاصل تلاش‌هاي سيد محمد جعفري دانشجوي مقطع دکتراي دانشگاه زنجان و دکتر محسن خسروي عضو هيأت علمي دانشگاه اصفهان است. نتايج اين کار در مجله‌ Electrochimica Acta با ضريب تأثير 4.798 (جلد 203، سال 2016، صفحات 9 تا 20) منتشر شده است.